АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 2006 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам для бурения скважин с продувкой воздухом и водовоздушными смесями.

Известна алмазная коронка для бурения с продувкой воздухом (патент РФ №2203381, 7 Е 21 В 10/48, 2003.04.27). В алмазной буровой коронке, включающей корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на скважинообразующие и кернообуривающие сектора, смещенные по радиусу и по высоте и расположенные в шахматном порядке с образованием гидравлических камер, сопряженных с промывочными пазами, кернообуривающие сектора выполнены опережающими по высоте по отношению к скважинообразующим и отделены друг от друга промывочными пазами с разновысотными боковыми стенками. Недостатком данного изобретения является высокий износ алмазов, вызванный недостаточным охлаждением рабочей поверхности коронки при бурении.

Известна алмазная буровая коронка для бурения продувкой воздухом, принятая за прототип (патент РФ №2167260, 7 Е 21 В 10/46, 2001.05.20). Коронка для бурения с продувкой воздухом включает корпус и алмазосодержащую матрицу, армированную алмазами, металлизированными биметаллом, состоящим из пластификатора и наполнителя, и расположенными между алмазами зернами графита, размеры которых равны размерам алмазов. В матрице и корпусе выполнена кольцевая полость, заполненная веществом, термическое сопротивление которого менее термического сопротивления алмазов и материала матрицы и корпуса. Недостатком данного изобретения является высокий износ алмазов, вызванный недостаточным охлаждением рабочей поверхности коронки при бурении.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости алмазных коронок за счет более интенсивного охлаждения рабочей поверхности коронки при бурении.

Технический результат достигается тем, что алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую матрицу, корпус с полостью, заполненной веществом, термическое сопротивление которого менее термического сопротивления алмазов и материала матрицы и корпуса, согласно изобретению полость выполнена в виде размещенных по периметру в корпусе алмазной коронки нескольких вертикальных глухих каналов, заполненных легкоплавким металлом с зазором, равным максимальному линейному расширению металла при нагревании, и отделенных от матрицы герметизирующими пробками.

Технический результат достигается также тем, что согласно изобретению в качестве легкоплавкого металла используют натрий.

Технический результат достигается также тем, что согласно изобретению в качестве легкоплавкого металла используют литий.

Технический результат достигается также тем, что согласно изобретению каналы заполняют натрием и чередуют с каналами, заполненными литием.

Применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет повысить износостойкость алмазной буровой коронки за счет более интенсивного охлаждения рабочей поверхности коронки при бурении.

Алмазная буровая коронка поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид коронки, на фиг.2 показан разрез А-А, где:

1 - корпус;

2 - алмазосодержащая матрица;

3 - глухие каналы;

4 - герметизирующие пробки;

5 - легкоплавкий металл;

6 - зазор.

Алмазную буровую коронку изготавливают следующим образом. В корпусе 1 алмазной буровой коронки по периметру высверливают несколько глухих каналов 3. Диаметр глухих каналов 3, их глубину и число определяют по величине осевой нагрузки на коронку с учетом необходимой поверхности теплообмена. По сравнению с прототипом, в котором использована кольцевая полость, глухие каналы 3 оказывают меньшее нарушение прочностных характеристик корпуса 1 алмазной буровой коронки. Затем заполняют полученные глухие каналы 3 легкоплавким металлом 5, например натрием или литием, оставляя при этом зазор 6, равный максимальному линейному расширению металла при нагревании. Заполненные глухие каналы 3 закрывают герметизирующими пробками 4.

Натрий и литий - легкоплавкие металлы, то есть вещества, термическое сопротивление которых менее термического сопротивления алмазов и материала алмазосодержащей матрицы 2, а также корпуса 1. Натрий обладает следующими характеристиками: температура плавления +98°С, теплота плавления натрия 113·10³ Дж/кг. Литий обладает следующими характеристиками: температура плавления лития +186°С, теплота плавления лития 628·10³ Дж/кг. За счет заполнения глухих каналов 3 легкоплавкими металлами натрием или литием, обладающими более низким термическим сопротивлением, чем материал коронки, происходит интенсивное поглощение и отвод с их помощью тепла, выделяющегося при бурении, на поверхность корпуса 1, охлаждаемого потоком воздуха или потоком водовоздушной смеси. По сравнению с прототипом повышается эффективность отвода тепла и охлаждение рабочей поверхности коронки за счет поглощения большого количества тепла при фазовом переходе натрия или лития из твердого состояния в жидкое. Для поэтапного отвода тепла глухие каналы 3 можно заполнять натрием и чередовать с каналами, заполненными литием. Натрий и литий имеют различные температуры плавления, поэтому поглощение тепла и охлаждение коронки будет осуществляться поэтапно (натрий расплавится при температуре +98°С, а литий при +186°С, что вызовет дополнительный отвод тепла при фазовом переходе). Для компенсации теплового расширения натрия или лития предназначен зазор 6. Для повышения безопасности ведения бурения и изоляции от взаимодействия натрия или лития с внешними средами используют герметизирующие пробки 4.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом. Разрушение породы осуществляется под действием осевой нагрузки и крутящего момента на коронку. Одновременно с разрушением породы осуществляют удаление шлама с забоя, например, продувкой воздухом. При работе коронки механическая работа, превращаясь в теплоту, вызывает нагрев рабочей поверхности алмазосодержащей матрицы 2. За счет поглощения тепла натрием и литием при фазовом переходе получают перераспределение тепла по корпусу 1 алмазной буровой коронки. Это позволит повысить интенсивность охлаждения алмазных буровых коронок за счет увеличения поверхности теплообмена и обтекания полученной поверхности потоком воздуха, подаваемого для удаления шлама.

Использование предложенного изобретения по сравнению с прототипом позволит:

- повысить износостойкость алмазных буровых коронок;

- улучшить интенсивность охлаждения алмазных буровых коронок;

- снизить себестоимость алмазного бурения.

Использование: относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам для бурения скважин с продувкой воздухом и водовоздушными смесями. Позволяет повысить износостойкость коронок за счет более интенсивного охлаждения рабочей поверхности коронки при бурении. Коронка включает алмазосодержащую матрицу, корпус с полостью, заполненной веществом, термическое сопротивление которого менее термического сопротивления алмазов и материала матрицы и корпуса. Полость выполнена в виде размещенных по периметру в корпусе алмазной коронки нескольких вертикальных глухих каналов, заполненных легкоплавким металлом с зазором, равным максимальному линейному расширению металла при нагревании, и отделенных от матрицы герметизирующими пробками. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Алмазная буровая коронка, включающая алмазосодержащую матрицу, корпус с полостью, заполненной веществом, термическое сопротивление которого менее термического сопротивления алмазов и материала матрицы и корпуса, отличающаяся тем, что полость выполнена в виде размещенных по периметру в корпусе алмазной коронки нескольких вертикальных глухих каналов, заполненных легкоплавким металлом с зазором, равным максимальному линейному расширению металла при нагревании, и отделенных от матрицы герметизирующими пробками.2. Алмазная буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве легкоплавкого металла используют натрий.3. Алмазная буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве легкоплавкого металла используют литий.4. Алмазная буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что каналы заполняют натрием и чередуют с каналами, заполненными литием.